【摘要】：煤炭資源開(kāi)采所形成的大范圍地下采空區(qū)是影響煤礦生產(chǎn)和工程建設(shè)的安全隱患,其有效探測(cè)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是學(xué)術(shù)界研究的重要課題。地下采空區(qū)的“空洞”效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致重力場(chǎng)發(fā)生變化,通過(guò)地表重力測(cè)量可揭示采空區(qū)的演變特征,但長(zhǎng)期以來(lái),這種重力異常效應(yīng)因量級(jí)較小而被多數(shù)學(xué)者所忽視。本文從高精度重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)入手,采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法分析采空區(qū)地表重力異常效應(yīng),探索基于重力異常數(shù)據(jù)反演采空區(qū)穩(wěn)定性的技術(shù)途徑。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)基于布格重力異常理論結(jié)合概率積分法預(yù)計(jì)模型,根據(jù)有限元計(jì)算思路構(gòu)建采空區(qū)地表重力異常正演模型,模擬分析采空區(qū)地表重力異常分布特征。結(jié)果表明:采空區(qū)地表的重力異常場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)狀分布在空洞的正上方,一般采礦條件下采空區(qū)所引起的重力異常效應(yīng)約為50uGal～450uGal;地表重力異常峰值與采寬、采高均呈線性正相關(guān),與開(kāi)采深度呈非線性負(fù)相關(guān)。(2)采用CG-5型重力儀進(jìn)行重力測(cè)量實(shí)驗(yàn),分析高精度重力數(shù)據(jù)的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該重力儀的靜態(tài)觀測(cè)精度可以達(dá)到±5uGal,動(dòng)態(tài)觀測(cè)精度可以達(dá)到±3.5uGal;對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波處理和統(tǒng)一歸化后,歸化殘差在±lOuGal范圍內(nèi),遠(yuǎn)小于采空區(qū)地表重力異常的最小峰值,說(shuō)明采用CG-5型高精度重力儀可以觀測(cè)到采空區(qū)地表重力場(chǎng)的微小變化。(3)采用緊致差分格式構(gòu)建礦山采空區(qū)地表重力異常反演模型,分析測(cè)量誤差對(duì)反演采空區(qū)邊界位置的影響。通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):在隨機(jī)誤差不超過(guò)±15uG土 時(shí),可以較準(zhǔn)確地反演采空區(qū)空洞的邊界位置。(4)通過(guò)地下空洞重力探測(cè)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本文反演模型的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:高精度重力測(cè)量?jī)x(如CG-5)的觀測(cè)精度及可靠性能夠滿(mǎn)足反演模型對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)的精度要求。研究結(jié)果為利用重力異常數(shù)據(jù)反演采空區(qū)演變及地表長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了新的技術(shù)途徑。
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TD325.3
【圖文】：

西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文性，探索基于重力異常數(shù)據(jù)反演采空區(qū)穩(wěn)定性的技術(shù)途徑，為利用重力數(shù)據(jù)探測(cè)礦山采空區(qū)殘留空洞的空間位置，反演采空區(qū)演變及其地表穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。針對(duì)研究目標(biāo)，本文以西安科技大學(xué)新購(gòu)的 CG-5 型重力測(cè)量?jī)x為依托，以礦山采空區(qū)開(kāi)采沉陷理論和重力測(cè)量學(xué)的相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，有效結(jié)合概率積分法開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模型和重力異常正演模型，圍繞礦山采空區(qū)地表重力異常效應(yīng)展開(kāi)研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)基于布格重力異常理論結(jié)合概率積分法預(yù)計(jì)模型，構(gòu)建采空區(qū)地表重力異常正演模型，模擬分析采空區(qū)地表重力異常分布規(guī)律；(2)以 CG-5 型高精度重力測(cè)量?jī)x為例進(jìn)行重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)有高精度重力測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度及其數(shù)據(jù)的可靠性；(3)構(gòu)建采空區(qū)地表重力異常反演模型，分析重力異常數(shù)據(jù)誤差的大小對(duì)采空區(qū)邊界反演的影響，驗(yàn)證在現(xiàn)有重力測(cè)量精度條件下，本文所構(gòu)建的地表重力異常反演模型的有效性，探索基于重力異常數(shù)據(jù)反演采空區(qū)穩(wěn)定性的技術(shù)途徑。根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容，本文的技術(shù)路線如圖 1.1 所示。

圖 2.1 多邊形鉛垂物質(zhì)薄片圖點(diǎn)處所引起的重力異常為： g G S d 其中 32 2 2 2=d dS 薄片，用一個(gè) n 邊多邊形來(lái)逼近其橫截面的形狀。設(shè)多邊、(ε2，η2, 2)、……、(εk，ηk, k)、……、(εn，ηn, n)則 S(εj)可以 11 1302 2 2 212 2 2 2 21 1=kkk kk knjkjn nk kj jdS dd d 第 k 邊的直線方程為：=k k C D1 1 1,k k k k k kk kC D

圖 2.2 水平面切割三維形體示意圖 圖 2.3 水平物質(zhì)薄片將以上關(guān)系代入式（2.7）中，對(duì)于 PBC 有 1111 12 2221 12 2 2 2 22 212 22 2112 2 1 2( ) ( )sinsin( )coscos( )cos1cos c( ) sin sin( )kkkkkkjj k kkjjk kk j jjk jk kjk jj k jk kk jdSddarc arc 2 2 1 2os( )kk j （2.8）故整個(gè)多邊形引起的重力異常值為：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2800809